2009年4月15日 星期三

實踐「隱形」奇想

(本文從前文「隱形『術』」衍生,並刊於2009年4月15日信報副刊「新知」欄。)

這數年間,「隱形」已經悄悄地從神話走進科學期刊,從想當然的魔術變成以物理學為基礎的技術。正如所有嶄新學科,科學家仍在摸索各種達致隱形的方法和途徑,有點令人眼前一亮的是,走在這科學最前端竟是幾位香港學者。本文會為大家介紹隱形的原理和港人在這方面的貢獻。

首先我們要知道隱形其實是什麼一回事。我們看見一件物件,是因為它把光線反射。可是,要令這物件隱形,並非令到它不反射這麼簡單,這只會在我們眼前製造一個黑影。若要隱形的效果,見不到物件的同時,我們必須看見「躲」在其背後的背景。

最容易想像的方法是:要令其隱形,必先令其透明。1897年出版的科幻小說The Invisible Man的主角就是發明了一劑處方,吃了之後可以令身體的折射率(refractive index)跟空氣一樣,光線便會像穿過空氣般穿過他的身軀,既不折射也不反射,達致隱形的效果。空氣的折射率是1,一般物質(例如水和人體)的折射率卻大於1,因此空氣中的光線碰到物質時會改變路線(反射,折射,或兩者皆有),這也是為何浸入水中的樹枝看上去像屈折了的原因。一件物體的折射率就像是對光線的一道「指令」,「告訴」光線碰到其表面之後的路線,如果這物體的折射率跟空氣一模一樣,對於光線(和我們的視覺)來說,這物體也跟空氣一模一樣。可惜,這方法知易行難,科學家唯有另謀他法。

其次,就是造一個如左圖的外殼,這外殼是中空的,它的特別之處是把光線引導離開中心的部份,任何被這外殼包圍著的物件,不會沾到絲毫光線。離開外殼前,光線會被還原到原來的軌跡,令這外殼及其內在物好像從來沒有出現在我們眼前。想法是這樣,但科學上可行嗎?光的法則容許我們這樣做嗎?科學家告訴我們,把光線如圖般引導,這外殼需要一個「少於1」的折射率。上面說過,一般物質的折射率大於1,少於1的大自然很難找,需要人工製作;這些人造物料泛稱metamaterial,由於折射率「少於1」,它們的光學特性非常獨特,除了製造「隱形外殼」,還有很多其他用途。製作metamaterial又是另一門日新月異的頂尖學問。

2006年10月,一組科學家成功地製作了一個「隱形外殼」,示範了這概念的可行性。不過,這技術有一弱點:隱藏殼內的物體是「盲」的,因為與外界光線完全隔絕,就像處於一個絕對漆黑的房間。

所以,科學家想出第三個方法:魔鏡。試想像,你拿著一塊普通的鏡子,當別人看著你的時候,他會看見兩個「你」:一個真實的「你」,和一個從鏡子反射出來的「你」。魔鏡同樣會把光線反射,但其鬼昧之處,在於反射出來的影像會把真實的影像剛好抵消;在觀察者的眼中,魔鏡反射出來的那個「你」會剛好抵消真實的那個「你」,也就是說「看不見」你了。由於你處身於魔鏡以外,可以接收外界光線,儘管別人看不見你,你仍然可以對身邊事物瞭如指掌。

2006年3月,一組科學家提出這個「魔鏡」理論,不過他們的「魔鏡」有很大的局限性,實用意義不大。例如,這「魔鏡」只能隱藏一條線,一條理論上沒有闊度只有長度的線。(把問題由3-dimension簡化至1-dimension,這是物理學家喜愛的做事方式:首先把問題簡化,解決了簡化的版本之後,再研究怎樣把結果推廣至更複雜的層面。)

2008年11月,「魔鏡」技術有了突破。香港科技大學的賴耘、陳煥陽、張昭慶和陳子亭發明了一個方法,可以令「魔鏡」隱藏一件物體,一件3-dimensional有長闊高的物體。這,更接近現實。

讓我簡略地說說「魔鏡」的構造。「魔鏡」有兩層,裡面一層是空氣(或跟空氣擁有相同折射率的物料),外面一層的折射率跟空氣剛好「相反」,例如空氣的折射率為1,外面那一層便是-1。(這是比上面「隱形外殼」的要求更進一步,「隱形外殼」要少於1,不過仍是正數;「魔鏡」要負數。負折射率的物料大自然當然找不到,製造「魔鏡」的功勞又要歸功於metamaterial了。)不過,這結構只能夠隱藏一條1-dimensional的線,亦即是那個不大實用的版本。

四位科大學者的突破就是在「魔鏡」外面那一層之中嵌入一個「反像」,這「反像」的光學特性和需要隱藏的物件剛剛「相反」,例如我要隱藏一顆骰子,這骰子的折射率是1.5,那「反像」的便是-1.5。因此,這「魔鏡」其實包含了三層物質:最內層的像空氣,外層是空氣的「相反」,外層中間再嵌入骰子的「反像」。由於每件物件的折射率和形狀都不一樣,這「魔鏡」是要根據需要隱藏的物件而定造的。

科大學者已經用電腦模擬証實了這「魔鏡」的可行性,他們正和一些美國大學合作製作一個prototype來示範,大家拭目以待吧。

科大學者的論文發表之後不久,又再有人想出第四個隱形的方法,篇幅所限,不在這裡描述。說到底,這是一門嶄新的科學,發展日新月異,大家都在摸索,最後哪一個方法能夠從實驗室突圍而出走進日常應用,誰都說不準。隱形的實現,除了理論的突破,還取決於metamaterial的製作。我們日常見到的光線是有多種波長的,但由於製作技術的局限,現時的metamaterial只對某一個波長的光線才起到作用,例如某個「隱形外殼」或「魔鏡」只對紅光有效,在只有紅光的情況下「當然隱形」,但在有多種波長的日光照射下便會「忽然現形」了。Metamaterial是另一門有趣學問,製造隱形物料只是其眾多用途之一,將來有機會再向大家介紹。

雖然隱形技術在短短數年有長足的進步,它離開日常應用還有一大段距離。以現今學術發展之快,幾年後回顧本文,可能已有事過境遷之感,但在這個金融城市,得知幾位香港學者在學術洪流中佔一席位,不禁教人耳目一新。

4 則留言:

  1. 隱形,很有趣呢!!

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  2. 雀屎扒,你好。雖然我唔知你係邊個,但好感謝你來到我的blog,你是第一個留言者。謝謝支持。

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  3. 那我作第二個好了~
    你真的做了很多research呀~
    我看得懂的科學~

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  4. 匿名人,坦白說,無論寫得多麼「易明」,也要讀者用心去讀才能明白。這類文章不是人人都會喝的那杯茶,多謝支持。

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